发酵过程的工艺控制

1、8.1 8.1 发酵过程控制概述发酵过程控制概述8.2 8.2 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制8.3 PH 8.3 PH 值对发酵的影响和控制值对发酵的影响和控制8.4 8.4 溶解氧对发酵的影响和控制溶解氧对发酵的影响和控制8.7 CO8.7 CO2 2和呼吸商对发酵的影响和控制和呼吸商对发酵的影响和控制第八章 发酵过程控制8.8 8.8 基质浓度对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及其控制8.9 8.9 通气搅拌对发酵的影响及其控制通气搅拌对发酵的影响及其控制8.10 8.10 发酵中间检测及终点判定发酵中间检测及终点判定8.11 8.11 高密度发酵与过程控制高密度

2、发酵与过程控制8.12 8.12 自动控制技术的应用自动控制技术的应用生物反应器生物反应器发酵罐图发酵罐图4 48.7 CO8.7 CO2 2及及呼吸商呼吸商对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 COCO2 2是微生物的代谢产物是微生物的代谢产物, ,是细胞代谢的重要指标是细胞代谢的重要指标 某些合成代谢的基质某些合成代谢的基质 自养细菌的碳源自养细菌的碳源 在发酵过程中，在发酵过程中， COCO2 2可能对发酵有促进作用，也可能对发酵有促进作用，也可能有抑制作用可能有抑制作用1 CO1 CO2 2对发酵的影响对发酵的影响COCO2 2对菌体有抑制作用，当排气中对菌体有抑制作用，当排气中COC

3、O2 2的浓度高于的浓度高于4%4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中例如，发酵液中COCO2 2的浓度达到的浓度达到1.61.61010-1 -1molmol，就会严，就会严重抑制酵母的生长；当进气口重抑制酵母的生长；当进气口COCO2 2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%80%时，酵母活力与对照相比降低时，酵母活力与对照相比降低20%20%。COCO2 2对发酵的影响对发酵的影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含要的发酵条件是提供的空气中要含5%5%的的COC

4、O2 2 。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制抗生素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡影响发酵液的酸碱平衡 COCO2 2及及HCOHCO3 3- -主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 培养液中的培养液中的COCO2 2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；主要作用于细胞膜的脂质核心部位； HCOHCO3 3- -影响细胞膜的膜蛋白

5、。影响细胞膜的膜蛋白。2 CO2 CO2 2对发酵影响的机理对发酵影响的机理3 CO3 CO2 2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度大小受到许多因素的在发酵液中的浓度大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。综合考虑溶解度、温度、通气状况等。等。综合考虑溶解度、温度、通气状况等。在发酵过程中通常通过在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌调节通风和搅拌来控来控制。但提高罐压，溶解度增加制。但提高罐压，溶解度增加 ，对菌体生，对菌体生长有害。长有害。 CO2浓度的控制应随

6、它对发酵的影响而定。 如果CO2对产物合成有抑制作用，则应设法降低其浓度； 若有促进作用，则应提高其浓度。呼吸商呼吸商 生物体在同一时间内生物体在同一时间内COCO2 2产生量与产生量与O O2 2的消耗量的比值叫做呼的消耗量的比值叫做呼吸商吸商(CO(CO2 2 O O2 2) ) 。 如糖类物质完全氧化时，如糖类物质完全氧化时， O O2 2只用于与氢形成只用于与氢形成H H2 2O O，反应式，反应式可以葡萄糖为例表示如下：可以葡萄糖为例表示如下：C C6 6H H1212O O6 66H6H2 2O O 6 O6 O2 26 CO6 CO2 2 12H12H2 2O O 其呼吸商其呼吸

7、商 COCO2 2 O O2 2 6 66 61 10000；并可求得每氧化；并可求得每氧化1g1g葡萄糖要消耗葡萄糖要消耗1.07g O1.07g O2 2 。 呼吸商与发酵呼吸商与发酵 分析尾气中分析尾气中COCO2 2的含量，记录培养基体积及通气量的变的含量，记录培养基体积及通气量的变化，用计算机计算化，用计算机计算COCO2 2的积累量。如果连续测得的积累量。如果连续测得COCO2 2浓度，浓度，可计算出整个发酵过程中可计算出整个发酵过程中COCO2 2的释放率的释放率( (简称简称CER) CER) 发酵过程中菌的耗氧速率发酵过程中菌的耗氧速率OUROUR可通过热磁氧分析仪或质可通过

8、热磁氧分析仪或质谱仪测量进气和排气中的氧含量计算而得，并最终计算谱仪测量进气和排气中的氧含量计算而得，并最终计算出呼吸商出呼吸商RQRQ RQ= CER / OUR RQRQ可以反映菌的代谢情况可以反映菌的代谢情况 酵母发酵酵母发酵 RQ=1RQ=1，糖有氧代谢，仅生成菌体，无产物形成；，糖有氧代谢，仅生成菌体，无产物形成； RQ1.1RQ1.1，糖经，糖经EMP(EMP(糖酵解糖酵解) )生成乙醇。生成乙醇。 不同基质，菌的不同基质，菌的RQRQ不同不同 E.coliE.coli以延胡索酸为基质，以延胡索酸为基质，RQ=1.44RQ=1.44； 以丙酮酸为基质，以丙酮酸为基质，RQ=1.26

9、RQ=1.26； 以琥珀酸为基质，以琥珀酸为基质，RQ=1.12RQ=1.12； 以乳酸、葡萄糖为基质，以乳酸、葡萄糖为基质，RQRQ分别为分别为1.021.02和和1.001.00。 在抗生素发酵中，由于存在菌体生长、维持及产物形在抗生素发酵中，由于存在菌体生长、维持及产物形成的不同阶段，其成的不同阶段，其RQRQ值也不一样。值也不一样。青霉素发酵的理论呼吸商：菌体生青霉素发酵的理论呼吸商：菌体生长长0.909，菌体维持，菌体维持1，青霉素合，青霉素合成成4。发酵早期，主要是菌生长，。发酵早期，主要是菌生长，RQ1；过渡期菌体维持其生命活；过渡期菌体维持其生命活动，产物逐渐形成，基质葡萄糖的

10、动，产物逐渐形成，基质葡萄糖的代谢不仅仅用于菌体生长，代谢不仅仅用于菌体生长，RQ比比生长期略有增加。生长期略有增加。8.8 8.8 基质对发酵的影响基质对发酵的影响 基质即培养微生物的营养物质。对于发酵控基质即培养微生物的营养物质。对于发酵控制来说，基质是生产菌代谢的物质基础，既制来说，基质是生产菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。因此基质的成。因此基质的种类和浓度种类和浓度与发酵代谢有着与发酵代谢有着密切的关系。所以选择密切的关系。所以选择适当的基质和控制适适当的基质和控制适当的浓度当的浓度，是提高代谢产物产量的重要方法，是提

11、高代谢产物产量的重要方法 1 1 基质浓度对发酵的影响基质浓度对发酵的影响 培养基过于丰富，有时会使菌体生长过旺，培养基过于丰富，有时会使菌体生长过旺，黏度增大，传质差，菌体需较多的能量来维黏度增大，传质差，菌体需较多的能量来维持其生存环境，即用于持其生存环境，即用于非生产的能量大量增非生产的能量大量增加加。 所以，在分批发酵中，控制合适的基质浓度所以，在分批发酵中，控制合适的基质浓度不但对菌体的生长有利，对产物的形成也有不但对菌体的生长有利，对产物的形成也有益处。益处。(1) (1) 碳源对发酵的影响及其控制碳源对发酵的影响及其控制 碳源分为速效碳源和迟效碳源。前者碳源分为速效碳源和迟效碳源

12、。前者( (如葡萄糖如葡萄糖) )能较迅速地能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物( (如丙如丙酮酸等酮酸等) )，因此有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物，因此有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；后者多数为聚合物的合成可能产生阻遏作用；后者多数为聚合物( (也有例外也有例外) )，为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的生产期，也为许多微生物药物的发酵所采用。延长抗生素的生产期，也为许多微生物药物的发酵所采用。 例如，

13、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖例如，乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖分别是青霉素、头孢菌素分别是青霉素、头孢菌素C C、盐霉素、核黄素、盐霉素、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。及生物碱发酵的最适碳源。 因此选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重因此选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重要的。要的。 青霉素研究中：在迅速利用的葡萄糖培养基青霉素研究中：在迅速利用的葡萄糖培养基中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少；中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少；相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素的产量明显增加。的产量明显增加。糖的缓慢利用糖的缓慢利用是青霉素合是青霉

14、素合成的关键因素。所以缓慢滴加葡萄糖以代替成的关键因素。所以缓慢滴加葡萄糖以代替乳糖，可以得到良好的结果。乳糖，可以得到良好的结果。乳糖被缓慢利乳糖被缓慢利用的速度恰好适合青霉素合成的要求。用的速度恰好适合青霉素合成的要求。 碳源浓度的影响碳源浓度的影响 营养过于丰富引起菌体异常繁殖，对菌营养过于丰富引起菌体异常繁殖，对菌体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的抑制；反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体抑制；反之

15、，仅仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物合成就都停止。生长和产物合成就都停止。所以控制合适的碳源浓度是非常重要的。所以控制合适的碳源浓度是非常重要的。(2)(2)氮源对发酵的影响及其控制氮源对发酵的影响及其控制 氮源有无机氮源和有机氮源两类。氮源有无机氮源和有机氮源两类。 它们对菌体代谢都能产生明显的影响，不同它们对菌体代谢都能产生明显的影响，不同的种类和不同的浓度都能影响产物合成的方的种类和不同的浓度都能影响产物合成的方向和产量。向和产量。 发酵培养基一般是选用含有发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢速利用快速利用和慢速利用的的混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐( (硫酸

16、铵或醋酸铵硫酸铵或醋酸铵) )和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源( (如如黄豆饼粉黄豆饼粉) )。它们被利用的情况与速效和迟效碳源。它们被利用的情况与速效和迟效碳源相似。为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除相似。为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础培养基中的氮源外，还要在发酵过程中了基础培养基中的氮源外，还要在发酵过程中补加补加氮源氮源来控制其浓度。来控制其浓度。 控制适当的底物浓度，控制适当的底物浓度，防止底物的抑制和阻遏防止底物的抑制和阻遏作用，也

17、可控制微生物作用，也可控制微生物处于适当的生长阶段。处于适当的生长阶段。补料控制目的v解除基质过浓的抑制解除基质过浓的抑制v解除产物的反馈抑制解除产物的反馈抑制补充微生物能源和碳源的需要。补充微生物能源和碳源的需要。补充菌体所需要的氮源。补充菌体所需要的氮源。补充微量元素或无机盐补充微量元素或无机盐。补料的内容补料的内容控制微生物的中间代谢，使之向着有控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。利于产物积累的方向发展。为实现这一目标，在中间补料控制时，为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈控制参数和补料必须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。速率。 补料的原则补料的原则

18、 避免抑制和阻遏作用避免抑制和阻遏作用 以经验数据或预测数据控制流加，补加的量控以经验数据或预测数据控制流加，补加的量控制在出现毒性反应的剂量下制在出现毒性反应的剂量下 补加的方式根据底物消耗的速度连续流加，避补加的方式根据底物消耗的速度连续流加，避免不足或过量免不足或过量 采用自动控制系统，根据菌体浓度、底物浓度采用自动控制系统，根据菌体浓度、底物浓度自动补料自动补料补料控制的策略补料控制的策略补料速率的确定补料速率的确定 优化补料速率也是补料控制中十分重要的优化补料速率也是补料控制中十分重要的一环，因为养分和前体需要维持适当的浓一环，因为养分和前体需要维持适当的浓度，而它们则以不同的速率被

19、消耗，所以度，而它们则以不同的速率被消耗，所以补料速率要根据微生物对营养等的补料速率要根据微生物对营养等的消耗速消耗速率率及所设定的培养液中及所设定的培养液中最低维持浓度最低维持浓度而定。而定。8.9 8.9 通气搅拌对发酵的影响和控制通气搅拌对发酵的影响和控制 通气：供给微生物适量的无菌空气，满通气：供给微生物适量的无菌空气，满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要 搅拌：搅拌： 氧传递速率的影响因素：搅拌器的形式、氧传递速率的影响因素：搅拌器的形式、直径、组数、搅拌器间距和转速等直径、组数、搅拌器间距和转速等1 1、 罐的罐的组成组成 2 2、 搅拌器搅拌器3

20、 3 挡板挡板4 4、 消泡器消泡器 5 5、 轴封轴封6 6、 联轴器联轴器7 7、 轴承轴承 8 8、 变速装置变速装置 9 9、 换热换热装置装置1010、空气分布装置空气分布装置1、罐体、罐体 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料一般为不锈钢。 发酵罐顶设有手孔人孔、 视镜及灯镜。 罐顶上的接管：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。 在罐身上的接管：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。罐体的尺寸比例罐体的尺寸比例 H/D=1.74 罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.74左右。搅拌器的作用：打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶

21、于发酵液中。使发酵液中的悬浮颗粒均匀分散2、搅拌器搅拌器搅拌器类型： 轴向式（桨叶式、螺旋桨式）； 径向式（涡轮式）发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的三倍。对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器。3 挡板 挡板的作用：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。4 消泡器消泡器的作用：将泡沫打碎。最常用的形式有锯齿式、孔板式。消泡器的长度约为罐径的0.65倍孔板式的孔径约1020mm。5 5 轴封轴封 轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。 常用的轴封有填料函和端面轴封两种。6 6、联轴器

22、、联轴器 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。7 7、轴承、轴承中型发酵罐般在罐内装有底轴承 ，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.40.7。为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套。8 8、变速装置、变速装置 试验罐采用无级变速装置。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置搅拌电机搅拌变速器搅拌轴及轴封9 9、换热装置、

23、换热装置 夹套式换热装置夹套式换热装置 这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐； 夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。 这种装置的优点是：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。 其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差， 竖式蛇管换热装置竖式蛇管换热装置 这种装置是竖式的这种装置是竖式的蛇管分组安装于发酵蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组罐内，有四组、六组或八组不等，根据管或八组不等，根据管的直径大小而定，容的直径大小而定，容积积5 5米米3 3以上的发酵罐以上的发酵罐多用这种换热装置。多用这种换热装置。 这种装置的

24、优点是：这种装置的优点是：冷却水在管内的流速冷却水在管内的流速大；传热系数高。这大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷种冷却装置适用于冷却用水温度较低的地却用水温度较低的地区，水的用量较少。区，水的用量较少。1010、空气分布装置、空气分布装置 单管单管 环形管环形管 d dI I = 0.8D= 0.8Di i d dI I 环径环径D Di i 浆叶直径浆叶直径 8.18.10 0 高密度发酵与过程控制高密度发酵与过程控制 高密度发酵特点高密度发酵特点 菌体的生长能力保持在最佳状态菌体的生长能力保持在最佳状态 具备适当的生产条件具备适当的生产条件 产物合成基质产物合成基质 前体前体 诱导物诱

25、导物 无有害代谢物积累无有害代谢物积累高密度发酵策略高密度发酵策略 用碳源作为限制性养分，采用补用碳源作为限制性养分，采用补料分批发酵料分批发酵使用最低合成培养基以便于准确的培养基使用最低合成培养基以便于准确的培养基设计和计算生长得率，避免引入对细胞生设计和计算生长得率，避免引入对细胞生长不利的养分限制长不利的养分限制优化细胞生长速率，使碳源被充分优化细胞生长速率，使碳源被充分利用获得高产率利用获得高产率高密度发酵存在问题高密度发酵存在问题 水溶液中的固体和气体物质的溶解度水溶液中的固体和气体物质的溶解度 基质对生长的限制或抑制作用基质对生长的限制或抑制作用 基质与产物的不稳定性和挥发性基质与

26、产物的不稳定性和挥发性 产物或副产物的积累达到抑制生长的水平产物或副产物的积累达到抑制生长的水平 高浓度的高浓度的COCO2 2和热的释放速率和热的释放速率 高的氧需求和培养基的粘度不断增加高的氧需求和培养基的粘度不断增加8.18.11 1 发酵中间检测及终点判定发酵中间检测及终点判定 微生物发酵终点的判断，对提高产物的生产能力和经济效益是微生物发酵终点的判断，对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。很重要的。 生产能力生产能力（或称生产率、产率）是指单位时间内单位罐体（或称生产率、产率）是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积累量而言积发酵液的产物积累量而言 生产率单位一般为生产率单位一般为

27、g g(L(Lh)h)或或kgkg(m3(m3h)h)，产物浓度单位为，产物浓度单位为g gL L或或kgkgm3m3，发酵时间单位为，发酵时间单位为h h 终点判断：终点判断：产量和经济效益产量和经济效益的结合。的结合。 发酵过程的中间检测分析是生产控制的眼睛，它显示发酵过程的中间检测分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛

28、。制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如程中菌的生理代谢状况，如pHpH，溶氧，尾气氧，尾气，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等二氧化碳，粘度，菌浓度等1 发酵过程的中间检测发酵过程的中间检测2 2 目前发酵过程主要分析项目如下：目前发酵过程主要分析项目如下： pHpH pH pH与微生物的生命活动密切相关与微生物的生命活动密切相关酶催化活性酶催化活性 pHpH的变化又是微生物代谢状况的综合反应的变化又是微生物代谢状况的综合反应基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、基质代谢、产物合成、细胞状态、

29、营养状况、供氧状况供氧状况排气氧、排气排气氧、排气CO2CO2和呼吸熵和呼吸熵 排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（通过计算可以求得摄氧率（OUROUR）。）。 排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等

30、于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。氧。 糖含量糖含量一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不但过程中发现，在补糖开始时，不但CERCER、OUROUR大

31、幅度大幅度提高，连提高，连RQRQ也提高约也提高约1010，表明通过补糖不但提，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。 微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。 糖的消耗糖的消耗: : 反映产生菌的生长繁殖情况反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力反映产物合成的活力 菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来含量的测

32、定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节调节pHpH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。不正常。 糖含量测定包括总糖和还原糖。糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 还原糖还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。 氨基氮和氨氮氨基氮和氨氮 氨基氮氨基氮指有机氮中的氮（指有机氮中的氮（NH2-NNH2-N），单位是），单位是 mg/100mlmg/100ml。如氨基酸

33、中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。中都有有机氮。 氨氮氨氮指无机氨中的氮（指无机氨中的氮（NH3-NNH3-N）。）。 氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。情况。 磷含量磷含量 微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。 磷是核酸的组成部分，是高能化合物磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATPATP的的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非

34、常重要的作用，如果磷缺乏就养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。要采取补磷措施。 菌浓度和菌形态菌浓度和菌形态 菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。 菌形态菌形态 显微镜观察显微镜观察 菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。快，中期菌浓基本恒定。 补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。量适合与否的一个参数。 菌浓度测定方法：菌浓度测定方法： 测粘度测粘度 压缩体

35、积法（离心）压缩体积法（离心） 静置沉降体积法静置沉降体积法 光密度测定法光密度测定法 OD600660 OD600660 适合于细菌、酵母适合于细菌、酵母 产物浓度产物浓度 在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况直接反映了生产的状况, ,是发酵控制的重要参数。是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、从而分析发酵条件如补料、pHpH对产物形成的影响。对产物形成的

36、影响。 发酵过程中的产物形成，有的是随菌体的生发酵过程中的产物形成，有的是随菌体的生长而生产，如初级代谢产物氨基酸等；有的长而生产，如初级代谢产物氨基酸等；有的代谢产物的产生与菌体生长无明显的关系，代谢产物的产生与菌体生长无明显的关系，生长阶段不产生产物，直到稳定期，才进入生长阶段不产生产物，直到稳定期，才进入产物生产期，如抗生素的合成就是如此。产物生产期，如抗生素的合成就是如此。无论是初级代谢产物还是次级代谢产物发酵，无论是初级代谢产物还是次级代谢产物发酵，到了衰亡期，菌体的产物分泌能力都要下降，到了衰亡期，菌体的产物分泌能力都要下降，产物的生产率相应下降或停止。产物的生产率相应下降或停止。

37、 3 3 确定合理放罐时间考虑的因素确定合理放罐时间考虑的因素 经济因素：发酵时间需要考虑经济因素，即以经济因素：发酵时间需要考虑经济因素，即以最低的成本最低的成本来获得来获得最大生产率最大生产率的时间为最适发的时间为最适发酵时间。实际生产中，指发酵周期缩短，设备酵时间。实际生产中，指发酵周期缩短，设备的利用率提高。的利用率提高。 但在生产率较小但在生产率较小( (或停止或停止) )的情况下，单位的情况下，单位体积发酵液的产物产量增长就有限，如果体积发酵液的产物产量增长就有限，如果继续延长时间，使平均生产率下降，而动继续延长时间，使平均生产率下降，而动力消耗、管理费用支出、设备消耗等费用力消耗

38、、管理费用支出、设备消耗等费用仍在增加，因而产物成本增加。仍在增加，因而产物成本增加。 需要从经济学观点确定一个合理时间。需要从经济学观点确定一个合理时间。 产品质量因素产品质量因素发酵时间长短发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影对后续工艺和产品质量有很大的影响响 如果发酵时间太短，过多营养物质残留在发酵液如果发酵时间太短，过多营养物质残留在发酵液中，对下游操作提取、分离等工序都不利。中，对下游操作提取、分离等工序都不利。 发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶，又会显著改变发酵液的性质，增或体内的酶，又会显著改变发酵液的性质，增加过滤

39、工序的难度，这不仅使过滤时间延长，加过滤工序的难度，这不仅使过滤时间延长，甚至使一些不稳定的产物遭到破坏。都可能使甚至使一些不稳定的产物遭到破坏。都可能使产物质量下降，杂质含量增加，故要考虑发酵产物质量下降，杂质含量增加，故要考虑发酵周期长短对提取工序的影响。周期长短对提取工序的影响。特殊因素特殊因素 个别特殊发酵情况下，还要考虑个别因素个别特殊发酵情况下，还要考虑个别因素 对老品种的发酵来说，放罐时间都已掌握，在正对老品种的发酵来说，放罐时间都已掌握，在正常情况下，可根据作业计划，按时放罐。但在异常情况下，可根据作业计划，按时放罐。但在异常情况下，如染菌、代谢异常常情况下，如染菌、代谢异常(

40、 (糖耗缓慢等糖耗缓慢等) )，就，就应根据不同情况，进行适当处理。为了能够得到应根据不同情况，进行适当处理。为了能够得到尽量多的产物，应该及时采取措施尽量多的产物，应该及时采取措施( (如改变温度如改变温度或补充营养等或补充营养等) )，并适当提前或拖后放罐时间。，并适当提前或拖后放罐时间。 合理的放罐时间是由合理的放罐时间是由实验实验来确定来确定的，即根据不同的发酵时间所得的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本，采用生产率高而率和产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放罐时间。成本又低的时间，作为放罐时间。 不同发酵类型，达到

41、的目标不同，对终点的判不同发酵类型，达到的目标不同，对终点的判断标准也不同。断标准也不同。 一般对发酵和原材料成本占整个生产成本主要部一般对发酵和原材料成本占整个生产成本主要部分的发酵产品，主要追求提高生产率、得率分的发酵产品，主要追求提高生产率、得率(kg(kg产产物物kgkg基质基质) )和发酵系数和发酵系数kgkg产物产物( (罐容罐容m m3 3发酵发酵周期周期h)h)。 下游技术成本占的比重较大、产品价格较贵，下游技术成本占的比重较大、产品价格较贵，除了高的生产率和发酵系数外，还要求高的除了高的生产率和发酵系数外，还要求高的产物浓度产物浓度。 因此，考虑放罐时间时，还应考虑总生产率因

42、此，考虑放罐时间时，还应考虑总生产率( (放罐时产物浓度除以总发酵生产时间放罐时产物浓度除以总发酵生产时间) )。 总发酵生产时间包括发酵周期和辅助操作总发酵生产时间包括发酵周期和辅助操作时间，因此要提高总生产率，则有必要缩时间，因此要提高总生产率，则有必要缩短发酵周期，这就是要在产物短发酵周期，这就是要在产物生成速率较生成速率较低时放罐低时放罐。 延长发酵虽然略能提高产物浓度，但生产延长发酵虽然略能提高产物浓度，但生产率下降，且耗电大，成本提高，每吨冷却率下降，且耗电大，成本提高，每吨冷却水所得到的产物产量下跌。水所得到的产物产量下跌。判断放罐的指标判断放罐的指标 产物浓度产物浓度 过滤速度

43、过滤速度 菌丝形态菌丝形态 氨基氮含量氨基氮含量 残糖含量残糖含量 PHPH值、值、DODO值值菌体自溶的检测菌体自溶的检测自溶的概念自溶的概念自溶的特征自溶的特征检测方法检测方法微生物养分微生物养分的缺乏或处的缺乏或处于不利生长于不利生长环境，自身环境，自身开始裂解开始裂解膜功能丧失膜功能丧失区域化破坏区域化破坏自溶酶释放自溶酶释放常规方法常规方法成像分析技成像分析技术术监测酶的活监测酶的活性性4 4 发酵发酵研究研究的中间检测的中间检测 初级层次的研究初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养

44、基的组成、最适温条件，如培养基的组成、最适温度、最适度、最适pH等要求。等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。较高的效率。 代谢及工程参数层次研究代谢及工程参数层次研究：一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产

45、物合成速率及其它一些发酵过程参数生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。谢情况比较可信。华东理工大学的国家生物工程中心创制的全参数华东理工大学的国家生物工程中心创制的全参数发酵罐除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、发酵罐除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、pH电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有罐体称重，补料计量装置和尾气采集分析系统，罐体称重，补料计量装置和尾气采集分析系统，

46、更重要的是，有一套独特的数据处理软件，软件更重要的是，有一套独特的数据处理软件，软件的开发是长期科研成果的结晶，可以得到的开发是长期科研成果的结晶，可以得到14个发个发酵过程参数，并且可以输入和绘制人工测定的参酵过程参数，并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过程的分析起到了重要的作用数，对发酵过程的分析起到了重要的作用鸟苷发酵过程曲线鸟苷发酵过程曲线 生产规模放大生产规模放大：在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实现。达到产业化的实现。一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。养成分破坏程度不同所致。发酵罐制造与设计技术的进展发酵罐制造与设计技术的进展8.12 8.12 自动控制技术的应用自动控制技术的应用 发酵过程的自动控制是控制一些发酵过程的自动控制是控